碟式离心机

《摩擦学基础》结课论文

课 题：碟式离心机的工作原理和结构设计

目前国外的碟式离心机的设计图，原理，及3D模型 姓 名：

学 号：

指导老师：

日 期：2013/10/31

目录

第一章 绪论 ............................................................................................................................ 7

1.1主要应用领域 .............................................................................................................. 8

1.2离心机分类 .................................................................................................................. 8

1.3 碟式分离机发展状况 ................................................................................................. 9

第二章 碟式离心机分离原理 .............................................................................................. 10

2.1基本原理 .................................................................................................................... 10

2.2液珠分离和移动原理 .................................................................................................. 7

第三章 碟式分离机的结构及工作机理 .................................................................................. 8

3.1碟式分离机结构 .......................................................................................................... 8

3.2 DRN200型碟式分离机工作机理 ................................................................................ 9

3.3分离机安全操作规则 ................................................................................................ 10

第四章 碟式分离机的主要参数的设计计算 ........................................................................ 11

4.1DRN200型碟式分离机的主要参数 ............................................................................ 11

4.2碟片的主要尺寸的确定 ............................................................................................ 11

4.3碟片内分离过程的强化 ............................................................................................ 14

第五章 碟式分离机的传动系统 ............................................................................................ 16

5.1常用传动系统 ............................................................................................................ 16

5.2 蜗杆涡轮传动结构设计及校核 ............................................................................... 18

5.2.1蜗杆传动的特点 ............................................................................................. 18

第六章 碟式分离机的其它结构 ............................................................................................ 19

6.1 分配器作用及结构设计 ........................................................................................... 19

6.2 碟式分离机的向心泵 ............................................................................................... 19

6.3横轴联轴器 ................................................................................................................ 21

6.3.1联轴器选择 .................................................................................................... 21

6.3.2联轴器的螺栓强度校核 ................................................................................ 22

6.4立轴螺栓 .................................................................................................................... 22

第七章 目前国外的碟式离心机的设计图，原理，及3D模型 .......................................... 25

7.1国外离心分离技术的发展趋向 ................................................................................ 25

7.2Alfa Laval卧螺离心机的设计图 ............................................................................ 26

7.3 Alfa Laval卧螺离心机的设计原理 ...................................................................... 29

7.4 Alfa Laval卧螺离心机3D模型 ............................................................................ 30

结论 .......................................................................................................................................... 31

参考文献 .................................................................................................................................. 32

摘 要

碟式分离机是立式离心机，转鼓装在立轴上端，通过传动装置由电动机驱动而高速旋转。转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件—碟片。碟片与碟片之间留有很小的间隙。悬浮液(或乳浊液)由位于转鼓中心的进料管加入转鼓。当悬浮液(或乳浊液)通过碟片之间的间隙时，固体颗粒(或液滴)在离心机作用下沉降到碟片上形成沉渣(或液

层)。沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位，分离后的液体从出液口排出转鼓。碟片的作用是缩短固体颗粒(或液滴)的沉降距离、扩大转鼓的沉降面积，转鼓中由于安装了碟片而大大提高了分离机的生产能力。积聚在转鼓内的固体在分离机停机后拆开转鼓由人工清除，或通过排渣机在不停机的情况下从转鼓中排出。

关键词：固液分离；碟式分离机；转鼓；Alfa Laval；卧螺离心机；

第一章 绪论

离心分离一般包括在碟式，管式，室式等各种分离机内所进行的过程。本章所述仅研究在碟式分离机内所进行的离心过程。

在普通离心机内，非粘性液体的澄清过程，常常会有湍流产生，因而影响分离效率。碟式分离机转速高（一般大于5000转/分），转鼓内安有锥形碟片束，碟片间隙很小，非粘性的液体在这样小的碟片间高速流动，比较容易实现稳定层流流动，从而保证高度分散物系有较好的分离效果。碟片间隙内，这种分散相与连续相的分离过程，

也称为薄层离心分离。

碟式分离机的种类和规格很多，但就其分离过程实质而言，基本可分为离心澄清和离心分离两种过程。

1.1主要应用领域

1．矿物油行业：船舶主机、陆用柴油机、电站等燃油和润滑油的净化；

2．乳制品行业：鲜牛乳的澄清和净化、脱脂；

3．植物油行业：棕榈油的净化和澄清，植物油精炼的脱胶、脱皂、脱水和脱蜡等；

4．饮料制品行业：啤酒、果汁、饮料等澄清，植物蛋白的提取、废水处理等；生物工程发酵液的澄清；

5．淀粉行业：淀粉浆的浓缩和分级；

6．制药行业：抗生素类、生化制药类药剂萃取过程中的净化或澄清，中药药剂的澄清等；

7．化工行业：化工原料的净化或澄清；

8．羊毛脂行业：从洗毛污水中提取和净化羊毛脂；

9．胶乳行业：净化和浓缩天然橡胶乳浆；

10．其他行业：如实验室、石油、焦化、高岭土、纸浆回收、电解液处理、废水处理、环保等，以及动植物蛋白的提取、动物脂肪的提取及精炼、混合脂肪酸的分离。

船用碟式分离机主要用于清除船舶柴油机等设备燃油和润滑油中的水分和杂质，以减少机械设备的磨损，延长机械设备的寿命。船用碟式分离机的设计、制造和验收符合GB/T5745-2002船用碟式分离机的标准。

1.2离心机分类

1．按分离因数的大小可分为常速离心机、高速离心机及超高速离心机。

常速离心机：Fr＜3000，主要用于分离颗粒不大的悬浮液和物料的脱水。

高速离心机：3000＜ Fr ＜50000，主要用于分离乳浊液和细粒悬浮液。

超高速离心机： Fr ＞50000，主要用于分离极不易分离的超微细粒悬浮液和高分子胶体悬浮液。

2．按操作原理的不同可分为过滤离心机、沉降离心机及分离离心机。

过滤离心机：转鼓壁上有孔，借离心力实现过滤分离，分离因数不大，适用于易过滤的晶体悬浮液和较大颗粒悬浮液的分离以及物料的脱水。

沉降离心机：鼓壁上无孔，借离心力实现沉降分离。

分离离心机：鼓壁上无孔，分离因数在3000以上，主要用于乳浊液的分离和悬浮液的增浓或澄清。

3．按操作方式的不同可分为间歇式离心机和连续式离心机。

1.3 碟式分离机发展状况

在工业生产中，离心机基本上属于后处理设备，主要用于脱水、浓缩 、分离 、澄清、净化及固体颗粒分级等工艺过程，它是随着各工业部门的发展而相应发展起来的。例如18 世纪产业革命后，随着纺织工业的迅速发展 ， 1836年出现了棉布脱水机。1877年为适应乳酪加工工业的需要 ，发明了用于分离牛奶的离心机。进入20世纪之后，随着石油综合利用的发展 ，要求把水、固体杂质、焦油状物料等除去，以便使重油当作燃料油使用，50年代研制成功了自动排渣的碟式活塞排渣分离机，到60年代发展成 完善的系列产品。随着近代环境保护、三废治理发展的需要，对 于工业废水和污泥脱水处理的要求都很高，因此促使卧式螺旋卸料沉降离心机 、碟式分离机和三足式下部卸料沉降离心机有了进一步的发展，特别是卧式螺旋卸料沉降离心机的发展尤为迅速。如今，在合成塑料(聚氯乙烯、聚丙烯)及合成纤维(聚对苯二甲酸乙二脂)生产的分离设备中，螺旋离心机己成为关键设备之一。

我国的碟式分离机研制已经具有四十多年的历史，尤其在近十年来随着机械制造行业的不断发展，碟式分离机的需求越来越大，应用的领域也在扩大。各个企业都参与进来，更加重视碟式分离机的技术研究投入，包括对大型锻件和精密件的材料研究、分离机主要部件的应力分析、机器的稳定性等等。在零件的加工工艺上，随着数控技术的发展，碟式分离机的质量得到很大的提高，许多的机型能达到国外先进水平。随着碟式分离机的发展，越来越多的用户都选择我国的碟式分离机，我国国内用的碟式分离机基本不再靠国外进口。但是，对于大型的碟式分离机，由于国外原材料和制造水平的原因，与国外同类产品还有一定的差距。

我国真正具有现代实用价值的第一台螺旋离心机是1954年制造的，由于它独具连续操作、处理量大、单位产量耗电量较少、适应性强等特点而得到了迅速发展，在四十多年的发展中，结构、性能、参数变化很大，分离质量、生产能力不断提高，应用范围更加广泛，在离心机领域中一直占有重要地位。在各种国际展览会上，各种各样的螺旋离心机，是所展出的离心机中最吸引人的机型，具有良好的发展前景。

我国从七十年代末开始引进螺旋离心机，对国外著名公司生产的多种规格的卧螺离心机进行了仿制。卧螺离心机是原化工部“七五”科技攻关项目，1989年南京绿洲机器厂仿制了ALFANx42o型大锥角((20)离心机(即L201)，用于玉米蛋白的分离，并于1992年制成样机；此后，重庆江北机械厂、解放军第4819厂和金华铁路机械厂等研制开发了一系列的螺旋卸料沉降离心机，并成功地应用于生产实践。但是就整体水平而言，我国还是远远落后于工业发达国家的。随着现代工业文明的发展和人类对环境以及可持续发展战略的重视，分离效果好，振动小、噪声低成为离心机能否被市场接受的重要条件。这就需要离心机具有良好的动态特性。通常，动态特性包括临界转速、不平衡响应和稳定性等内容。卧螺离心机的参数选择及优化是提高卧螺离心机动态特性的首要环节。

碟式分离机的种类繁多，我国碟式分离机开发和研制已经逐步实现了系列化、标准化。目前我国已经有一系列的标准，形成了二十多个系列，一百多种规格。

随着我国碟式分离机的不断发展，我国将在大型碟式分离机的自动控制和国际上先进的电器原件有进一步的成就。

第二章 碟式离心机分离原理

2.1基本原理

碟式机是沉降式离心机中的一种，用于分离难分离的物料（粘性液体与细小固体颗粒组成的悬浮液或密度相近的液体组成的乳浊液等）。是利用混合液（混浊液）中具有不同密度且互不相溶的轻、重液和固相，在离心力场中获得不同的沉降速度的原理，达到分离分层或使液体中固体颗粒沉降的目的。分离机中的碟式分离机是应用最广的沉降离心机。

（1）分离基础-重力沉降

一种使悬浮在流体中的固体颗粒下沉而与流体分离的过程。它是依靠地球引力场的作用，利用颗粒与流体的密度差异，使之发生相对运动而沉降，即重力沉降。

图 2—1 重力沉降

（2）增加隔开碟片

在沉降槽中安入水平板，则可增加槽面积。这样就给出了若干个间隙的分离通

Q=νgA道，如N个，每一个的生产能力为，因此沉降槽的总生产能力为

其中 Q=νgNA (2—1) νg—沉降速度；

A—沉降槽底面积；

图 2—2 增加隔开碟片

（3）引入离心力

悬浮液由中心进料管进入转鼓，从碟片束外缘经碟片间隙向碟片内缘流动。因受离心力作用，固体颗粒在随液体流动的同时沉降到各碟片的内表面，再向碟片外缘滑动，最后沉积到鼓壁上。

图 2—3 引入离心力

2.2液珠分离和移动原理

液珠分离：利用离心力场把不同密度的液珠分层。

液珠移动：利用浮力的分力和摩擦力之和小于离心力向下的分力时，液 珠便向下移动，反之向上移动。

如图2—4所示，为轻重液珠在碟片间隙中流动时候的受力分析情况，则有

2液珠离心力: F=mrω （2—2）

向下的分力： F分=Fsinα=mrω2sinα

（2—3） （2—4） （2—5） （2—6） （2—7） （2—8） 液珠的正压力： N=Fcosα 浮力： F浮=γV=ρgV'F浮=F浮cosα向上分力： 正压力： 摩擦力: N'=F浮sinα Fm=f(N+N')

重液珠：离心力分力大于摩擦力与浮力分力的和，则液珠向下移动。 离心力分力： 'F分＞Fm+F浮 （2—9） 轻液珠：浮力分力大于离心力加摩擦力，液珠上浮。

浮力分力： 'F浮＞F分+Fm （2—10）

由此可见：轻重液体将分层逆向流动，从不同排出口流出

图 2—4 液珠在碟片间隙中流动时候的受力分析

第三章 碟式分离机的结构及工作机理

碟式分离机是应用最为广泛的分离机械之一，也是在各个领域中数量最多的一种离心分离机械。然而碟式分离机的结构也相当复杂，在自动排渣碟式分离机中还会涉及到自动控制技术，其控制装置也会相当复杂。在本次毕业设计中，设计的是人工排渣碟式分离机，在结构上相对于自动排渣碟式分离机较为简单。

3.1碟式分离机结构

（1）机座传动部分

各种碟式分离机的机座及传动部分大致相似。电动机通过离心离合器、水平轴、一对螺旋增速齿轮及立轴而带动转鼓。立轴是挠性轴，上轴承为挠性轴承，转鼓安装在立轴的上端。传动除可用螺旋齿轮外，还可以用皮带增速传动。所有这些传动装置均安装在机座内。

（2）机壳部分

转鼓外面装有大都为圆形或者锥形的机壳，可接受从转鼓分离出来的重相或者沉渣。机壳上端与悬浮液的输入管及轻相输出管相连。

（3）转鼓组件

转鼓是分离机的最主要部分，它包括：

1）转鼓体—底、盖、大螺母、小螺母等

2）碟片组件—碟片架、碟片组

碟片的作用是缩短固体颗粒(或液滴)的沉降距离、扩大转鼓的沉降面积，转鼓中由于安装了碟片而大大提高了分离机的生产能力。

3）向心泵

向心泵具有固定在机壳上静止不动的叶轮，叶轮外缘浸没在与转鼓同步旋转的分离液层内，分离液由叶轮外缘进入弧形流道，流至叶轮中心排液管排出。叶轮将旋转液体的动能转变为静压，将转鼓中排出的分离液直接输送至10～20米的高度。

4）排渣装置，如喷嘴排渣转鼓具有喷嘴排渣装置，而活塞排渣转鼓则具有活塞能上下启闭进行自动排渣的机构。

5）自动控制部分

现代碟式分离机大多能自动加料、排渣、停车。因而附有各种形式的自控和遥控设备。

可以看出，碟式分离机机构比较复杂，转鼓零件多，清洗也比较困难，因此在混合液处理量少的间歇生产过程中，它就不如管式离心机用的多。

3.2 DRN200型碟式分离机工作机理

图 3—1人工排渣式碟式分离机

如图3—1所示是人工排渣式碟式分离机。转鼓由圆柱形筒体，锥形顶盖及锁环组成。转鼓中间有底部为喇叭形口的中心管料分配器，中心管及喇叭口有纵向筋条，使液体与转鼓有相同的角速度，液料分配器援助部分套有锥形碟片。在碟片束上面有分隔碟片（碟片盖），其颈部有向心泵。

在每一碟片外表面上，沿母线方向常用焊接或其他方法加工有定隙片或筋。后者除了使碟片间隙保持不变外，还可减小液体相对于碟片的位移。

液料加入分配器中心管并进入转鼓底腔，液料中最粗颗粒部分在此分离于转鼓内，其余料沿着中性孔上升，进入碟片间隙内。在间隙内，轻液向轴线方向运动，重

液向碟片大直径方向运动。这时细的固粒沉降于碟片下表面上，然后向转鼓周边方向移动，并沉降于转鼓壁上。轻、重分离液分别经各自排液向心泵向机外排出。

分离悬浮液时，在碟片上不需要开进料孔，而分离乳浊液时则需在碟片上开进料孔。在孔的位置与轻、重液分界面（即中性层）的位置相适应，故进料孔也称为中性孔。重相体积越小，中性孔的位置离轴线越远。在极限情况下，设有这些孔，料液将围绕碟片，从四周进入碟片碟片间隙。反之，若轻液体积比较小，中性孔的位置则靠近轴线。料液应沿中性层所确定的中性孔位置，进入碟片，否则就可能破坏正常的分离操作，从而降低分离效果。

人工排渣碟式分离机结构简单，价格较为便宜，可得到密实的沉渣。所以广泛用于乳浊液及含少量固体（＜1~5%）悬浊液的分离。缺点是转鼓和碟片之间具有较大的沉渣容积，这部分空间不能充分发挥碟式分离机高效率分离的优点。此外间歇人工排渣生产效率较低，劳动强度较大。

3.3分离机安全操作规则

分离机是一种高速旋转机械，工作时转鼓产生巨大的离心力。为了保证操作人员和设备的安全，使用时应严格遵循下述规则：

1．转鼓主锁帽锁紧前以及进出口装置和其它紧固螺钉未紧固前，不能启动分离机。转鼓未完全停止前，不能松开机器的任何零件。

2．不允许用火焰加热或补焊转鼓所有零件。

3．分离机在工作时如有异常振动和异常声音,应立即切断电源紧急停机，等转鼓停稳后，找出原因排除故障后方可重新装配开机。

4．转鼓部份零件不能和其它机器转鼓零件交换使用，即使是同一型号分离机也不允许。

5．分离机不得用于处理腐蚀性比出厂设计大的的物料。

6．分离机使用两年后或其振动烈度超过4.5mm/s而不能降低时，必须对转鼓部件及轴进行无损探伤检测并对转鼓部分进行动平衡校验。以后每年均需探伤一次。

第四章 碟式分离机的主要参数的设计计算

从工艺过程来看，碟式分离机的主要参数包括：碟片的尺寸、数量、间隙，转鼓的内径及其回转速度等。这些参数都直接与分离料液的物理、化学性质，所要求的生产能力，料液的固液比及所要求的分离度等因素相关。而本次设计中，由标准可以得到DRN200型碟式分离机的转鼓内径和转鼓速度，所以计算量有所减小。下面对DRN200型碟式分离机的部分主要参数做选择计算。

4.1DRN200型碟式分离机的主要参数

如表4—1，查JB/T 5287.2—1991得到，DRN200型碟式分离机结构为人工排渣型，

D转鼓公称直径是s=200mm，转速n=6700~8000r/min，当量沉降面积

72∑=6~10⨯10cm，电机功率N=1.5/2.2KW，额定处理能力（脱脂）Q=1000L/h，用途为牛乳脱脂。

表4—1 碟式乳品分离机标准

4.2碟片的主要尺寸的确定

（1）碟片母线锥角α

碟片母线与转鼓轴线所成的锥角与悬浮液中固相在碟片上的摩擦系数有关，根据f＜tgα（f—固相与碟片表面间的摩擦系数）的条件，α在30°~45°范围内选取。在本次设计中，取α=35°。

（2）碟片的内、外径

碟式分离机的生产能力为Q，则由参考文献[1]式（4—81）得， 33πdc2∆ω2Z(rmax-rmin)ctgα （4—1） Q= 27μ

式中 ∆—悬浮液固液相密度差；

可以看出，减小内径、增加外径均能使生产能力提高。当按照标准系列设计时，由于外径已确定，因而主要是决定内径碟片的尺寸。内径主要受机械结构及物料性质的影响，如胶乳分离机中，为了防止凝聚时引起的堵塞，一般采用较大的中心进料管，故碟片内径也应该大一些。

在研究乳脂分离与适合乳脂分离的一些碟式离心机的结构与操作参数的基础上，r=165mm,rmin=50mm取max。

转鼓外径的选定，在保证转鼓强度的条件下，主要是卸料过程有关。对于间歇卸料，应当有较大的沉渣储存空间，以减少分离过程中，卸料辅助时间的比例；对于连续卸料，则主要与控制浓缩后沉渣的固液比及沉渣与碟片的摩擦等因素有关，一般浓缩后沉渣的固液比要求大，需要有较大的沉渣空间。

（3）碟片间隙h

由参考文献[1]第四章可知，碟片尺寸、碟片数量以及碟片间隙等的确定，应使得

d所有大于临界直径c的颗粒能保证获得分离，并且从碟片间隙进入转鼓沉渣区。

d根据以上原则来确定h，在最小碟片半径处，位于碟片下表面上的直径为c的颗

粒滑移条件： Csinα＞fCcosα+3πdcμ(ωlx)x=dc

2 （4—2）

其中 C—沉降固粒所受到的离心力；

μ—液体动力粘度；

ω lx—碟片表面距离为x的液体经线方向的速度；

用C除以上式，并且带入

C=πdc3

6∆ω2rmin

得到 (sinα-fcosα)＞18μ(ωlx)dc22x=dc∆ωrmin2 （4—3）

或者 (ωlx)

αα＞

其中

x=dc2νgω2rmin （4—4） αα=sinα-fcosα

dc2∆gνg=18μ

对于工程计算来说，有导向筋及λ值不大的情况下： 3qhx-x3

ωlx=πrhh2

其中

在x= （4—5） q—一个碟片间隙的液体流量； dc

2时， (ωlx)

x=dc

2=d3Qdc(1-c)2πrminZhh2h （4—6）

上式中，右边括弧内的第二项数值与1相比很小，可以不计，因而 (ωlx)x=dc

2=

其中 3Qdc2πrminZh2 （4—7） Z—碟片数；

将式（4—7）代入式（4—4），得

αα≥

式中 ω0k=ωrmin 3Qdcg （4—8） 222πω0νhZkg

颗粒临界直径dc用沉降速度νg表示为 dc=

由最后三个方程式整理得到 αα≥

由此 h≥2.5242μvg∆g （4—9） 40.5μQωh∆Z40k42 （4—10） μQω∆ααZ4

0k22 （4—11）

由参考文献[2]可知，这里根据实际情况，在合适本次设计中的碟式分离机结构和操作参数的条件下，原乳粘度μ=8 mPa·S，碟式分离机生产能力

Q=1000L/h=1m3/h，当量沉积面积∑=8⨯107cm2=8×103m2，ω=7000r/min,脂肪密度为918 kg／m3 ，脱脂乳密度为1 038kg／m3 ，悬浮液两相密度差△ =1 038—

918=120 kg／m3=0．12 g／cm3，颗粒与碟片表面间的摩擦系数f=0.5，碟片大径165 mm=0．165 m，碟片小径rmin=50 mm=0．05m，碟片数Z=100。

将上述的值带入（4—11）得到，h≥0.048mm，故取h=0.5mm。

（4）碟片束高度H rmax=

在碟片最大半径处的碟片束高度由下式确定

Z(h+δ) （4—12） H=sinα

式中 δ—碟片厚度；

一般碟片厚度δ应该尽量小，但也应该满足保持形状稳定、耐磨及易于加工等要求。由参考文献[3]可知，实际生产中，碟片厚度一般为0.5~2mm，本次设计取δ=0.5mm。

碟片束高度应当不太大。转鼓对称轴线的惯性矩和垂直于对称轴且穿过转鼓中心轴线的惯性矩间的相互关系，是考虑H值的原则。根据碟式分离机操作动力的稳定性条件，力求这两种惯性矩尽量接近。

如果计算得到的H值太大，要减少碟片数或者降低碟式分离机的生产能力。 综上可以得到碟片束高度H=84mm。

4.3碟片内分离过程的强化

改进碟片结构是强化分离过程的重要途径。目前通用的碟片结构形式已有80多年的历史。在使用中，发现它有一些列的缺点，严重影响了分离机的生产能力及分离度。

1．在碟片间隙内，液体和沉渣是逆流流动；

2．由于在沉渣附近液层内速度落差大，碟片间隙内已分离固粒要随着澄清了的液体一起流动；

3．料液进入每一组碟片的负荷不均匀。

一方面，要避免湍流的产生，使液流在碟片间的流动为层流；另一方面，为了强化分离效果，需要在碟片间加入导向筋，这就又不可避免的产生了湍流。如何解决这一对矛盾，是优化碟片结构的关键所在。

为了改进上述状况，已经研制出了心得碟片结构形式，来改善转鼓内及碟片间隙内液流分布状况。下述结构形式是根据研究离心力场内的流体力学特点而提出的。

如图4—2可见，这种碟片结构形式的特点是碟片在筋条上有小平块。小平块是下一碟片的支承。筋条具有各种长度，随着离悬浮液进口远而家长。在有的情况下，需要根据计算来改变碟片上的筋条数目，其数目随着离悬浮液入口处远而加多。

现在来进一步分析这种新碟片中的分离过程。液体在碟片间隙内由大直径朝小直径方向流动过程中，由碟片内表面和筋条上表面限制环腔AFEB内的流体阻力要比筋条区域ABCD内大许多倍，绝大部分液体（80~90%）在筋条间ABCD区内流动，在环腔AFEB内形成流量不大的堰区。

在环腔AFEB内形成的这种堰区，减小了沉渣和液体的逆流，以及减少了沿碟片内表面运动时沉渣表面附近的速度差。

筋条

销块

碟片

图4—2两种碟片内液流分布图

图4—3表示出了有无导向筋的两种转鼓中碟片间颗粒的运动轨迹。由图可见， 在澄清型无导向筋的分离机中，运动轨道类型较单一。在有径向导流情况下，运动轨道均匀平坦，还在颗粒降落到碟片表面前，运动轨道显著地聚拢。

碟片上有径向导向筋的转鼓 离心澄清型普通转鼓

图4—3两种碟片内液流分布图

如图4—4即为这中新型碟片的实物图。

图4—4碟片的实物图

第五章 碟式分离机的传动系统

5.1常用传动系统

碟式分离机是高速回转机器，在挠性轴条件下运转。轴、轴承和传动装置的结构设计均应该考虑此特点。各类碟式分离机的传动系统基本相同。如图5—1所示，是最常用的一种传动系统。

1—转鼓 2—立轴 3—上轴承

4—小螺旋齿轮 5—下轴承

6—横轴 7—大螺旋齿轮 8—转

速计

图5—1 碟式分离机传动系统图

立式挠性轴安装在装有弹簧(弹性装置)的上轴承座上，弹性轴承可以减小转鼓旋转时产生的振动。在横轴上的大螺旋齿轮通过安于立轴上的小螺旋齿轮带动转鼓旋转。传动各润滑部位，一般均用稀油飞溅润滑。大螺旋齿轮由在机壳外的电机经联轴器传动。

上轴承的弹性装置，一般是安在可以径向移动的轴承座上，轴承座四周等分安装有若干径向弹簧（一般不小于6个）。这种弹性约束系统刚度状况对轴的临界转速有着重要的影响。其刚度可以用下法计算。

单个弹簧刚度为k1，则对于如图5—1所示弹性约束的总刚度为

k=k1∑cosϕ2n

i （5—1）

i=1ϕii式中 —第个弹簧与轴承位移方向的夹角。

图5—2中所示六根弹簧一般都是在有预紧的情况下安入弹簧座内，也就是说，弹簧是处于压缩状态下工作的，而且设计时使转轴可能的位移量始终小于预压量，因而分离机上的六根弹簧，在运转过程中始终均起作用，这样弹簧的总刚度为

k=k1(2cos20︒+4cos260︒)=3k1 (5—2)

若六根弹簧没有预紧力，在起始位置刚好与轴承座接触，在轴承位移时，实际上只有三个弹簧对它有压紧力，故得

k=k1(2cos20︒+2cos260︒)=1.5k1 （5—3）

图 5—2 上轴承的弹性约束系统

由5—3式可见，弹簧预紧情况对整个系统的刚度有影响。应该采用刚度系数相同的弹簧，并且以相同的预紧力进行安装，这样能够减少干扰振动。

从动螺旋小齿轮是固定在立轴上的，当转鼓振动时会使齿轮振动，影响啮合，增加磨损而缩短使用寿命。因而有从动螺旋齿轮在立轴上并不是刚性连接的结构。小螺旋齿轮与立轴系通过销钉连接，这种结构可以减缓转鼓振动对齿轮传动的影响，结构也相对简单。

为了提高螺旋传动的可靠性，除了改进转轴结构及支承方式，改善螺旋齿轮运转的动力学条件之外，螺旋齿轮的材质、制造精度、润滑等方面均应给予必要的注意。

大螺旋齿轮多用青铜铸造，但青铜材质可因配方而异。经过实验铸锡磷镍青桐耐磨性较好，与之配对的小齿轮用40Cr调质钢。

除了上述螺旋齿轮外，皮带传动及正齿轮传动也常常应用，皮带传动具有结构简单，价格便宜，维修方便等优点。尤其是强度高的尼龙平皮带更具有寿命长，线速度高的特点。因此，皮带传动的应用逐渐增多。

5.2 蜗杆涡轮传动结构设计及校核

蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动。它广泛用于在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门中。最大的传动功率可达到750KW，通常用在50KW以下；最高滑动速度vs可达到35m/s，通常在15m/s以下。

5.2.1蜗杆传动的特点

1．传动比大，结构紧凑。蜗杆头数用Z1表示（一般Z1=1~4），蜗轮齿数用Z2表示。

从传动比公式I=Z2/Z1可以看出，当Z1=1，即蜗杆为单头，蜗杆须转Z2转蜗轮才转一

转，因而可得到很大传动比，一般在动力传动中，取传动比I=10-80；在分度机构中，I可达1000。这样大的传动比如用齿轮传动，则需要采取多级传动才行，所以蜗杆传动结构紧凑、体积小、重量轻。

2．传动平稳，无噪音。因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程，因此工作平稳，冲击、震动、噪音都比较小。

3．具有自锁性。蜗杆的螺旋升角很小时，蜗杆只能带动蜗轮传动，而蜗轮不能带动蜗杆转动。

4．蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低。尤其是具有自锁性的蜗杆传动，其效率在0.5以下，一般效率只有0.7～0.9。

5．发热量大，齿面容易磨损，成本高。

第六章 碟式分离机的其它结构

碟式分离机结构复杂，设计的内容非常多。对于整个碟式分离机设计过程中，除了关键的结构外，如碟片、转鼓、立轴、横轴，还有很多零部件设计，涉及到对整个分离机运转过程中的整体认识深度。

6.1 分配器作用及结构设计

分配器在碟式分离机中起到了分流和支承碟片的关键作用。如图6—1所示，是分配器的零件图

图6—1 分配器零件图

图3—1是人工排渣型碟式分离机转鼓装配图，我们可以看出分配器是以下转鼓为支承，碟片安装在分配器上，并且通过分配器的的特殊结构在轴线定位的。上转鼓与下转鼓大螺母锁紧产生摩擦力使得碟片压紧。特别注意的是，分配器不仅能够使进料能分离进入转鼓内，还由于在轴线的特殊结构，使得轻液能够沿着分配器轴线上行运动，进入向心泵。

6.2 碟式分离机的向心泵

现代碟式分离机的转鼓结构均向气密耐压发展。因此分离液的排出装置也有敞开式发展为撇液管或者撇液装置（向心泵）。泵体，泵轮结构简单，无机械摩擦面及密封

要求，制造方便，在分离机转鼓里加上泵体后，结构不致太复杂。向心泵充分利用物料的动能转化为压力能，因此在工艺流程中，分离机安装位置可不受厂房标高的影响。排出液不会产生大量泡沫与发生乳化、汽化现象。

本次设计的是排出压力较低的向心泵。将液体动能转换成压力能的过程是在向心泵流体通道内进行。为使能量转换效率高，应有适宜的流道形状。对于排出压力较低的向心泵，可用后弯形叶片所组成的流道（如图6—2所示）。流道由叶片数目及叶片形状所决定。叶片太多会造成阻力损失过大，太少则能量转化不充分。一般叶片数目取4、6、8片，而本次设计取4片。流道的进口角度β1=20︒~25︒，出口角度β2=90︒，叶片的进口到出口处用光滑的圆弧连接成形。叶片的厚度取决于压力的大小与加工工艺，理论上是越薄越好，但实际上不可能做到很薄，一般取2~3mm，进口边薄一点，出口边厚一点。这种结构的向心泵，其出口压力一般为15~20m水柱。

向心泵进口宽度b1，按向心泵的流量等于分离机额定流量原则计算，即 b1=Q(米)πd1v1 （6—1）

式中 Q—分离机的额定分离量（m3/s）；

d1—向心泵外径（m）；

v1—旋转液体进入向心泵时的速度（m/s）；

液体旋转方向

1—上盖板 2—下盖板 3—叶片

图6—2 碟式分离机向心泵

这种向心泵制造简单。通常下盖板与叶片为整体，在一块圆板坯料上铣出叶片，上盖板先车好后覆盖到叶片上，与叶片接触处钻几个孔，然后用塞焊焊牢，最后向心泵整体精车完成。此外，也有叶片单独用薄钢板制成后再焊入下盖板上的加工方法。

6.3横轴联轴器

联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，如图6—3。

6.3.1联轴器选择

由于本次设计中横轴的转速是1440r/min，属于中低转速传动，故采用凸缘联轴器。这种联轴器主要有两个分装在轴端的半联轴器和联接它们的螺栓所组成。

其特点是：构造简单，成本低，可传递较大转矩。这种联轴器对中精度可靠，

图6—3 凸缘联轴器

传递的转矩较大，但要求两轴的同轴度好，主要用于载荷平稳的联接中。

根据两端轴的尺寸参数，由查参考文献[4]，选择GYS2凸缘联轴器，其具体参

数如表6—1。

表 6—1 凸缘联轴器主要参数

6.3.2联轴器的螺栓强度校核

按标准选定凸缘联轴器后，对联接两个半联轴器的螺栓进行强度进行校核。本次采用的是六角头螺栓联接形式，且螺栓与螺栓孔之间具有少量的间隙，这个时候两个半联轴器依靠合面间的摩擦力传递转矩。

设D和D1分别为联轴器环形接合面的外直径和内直径，μ为摩擦系数，z为螺栓数

目，F'为每个螺栓的预紧力，则该联轴器所能传递的最大转矩为

'

'D+DzμF≥KT (6—1) 4式中 K—载荷系数；

上式中，假设摩擦半径等于环形接合面的平均半径。利用上式，可以求出螺栓的预紧力。螺栓尺寸也可以根据预紧力F'来校核。

6.4立轴螺栓

图6—4立轴螺栓实物图

如图6—4即是立轴螺栓的实物图，立轴螺栓的主要作用是将转鼓固定在立轴上。 立轴螺栓是转鼓与立轴之间的重要部分。转鼓内有液体，在分离机运转过程中，不允许有任何的泄漏，所以立轴螺栓必须做好密封作用。同时，立轴螺栓通过螺纹联接与立轴联接在一起，立轴螺栓也起到传递动力的作用，在分离机工作中也不允许出现松动的情况。

立轴螺栓、转鼓与立轴三者之间的装配关系如图6—5。

立轴螺栓与螺栓套联接，并且通过密封圈4使得混合液从分配器流出时候不会通过立轴螺栓进入立轴。螺栓套通过螺纹联接在转鼓上，并且也有密封圈2，使混合液不会经过螺栓套流出转鼓外。立轴与立轴螺栓也是通过螺纹连接。在这三者间必须做好密封措施，以防混合液泄漏出转鼓，造成设备的损坏。

3 2 4 5

1 6

1—转鼓 2—密封圈 3—立轴螺栓 4—密封圈 5—螺栓套 6—立轴

图6—5立轴、立轴螺栓、转鼓三者装配关系

第七章 目前国外的碟式离心机的设计图，原理，及3D模型

7.1国外离心分离技术的发展趋向

工业离心机诞生于欧洲，比如19世纪中叶，先后出现纺织品脱水用的三足式离心机，和制糖厂分离结晶砂糖用的上悬式离心机。这些最早的离心机都是间歇操作和人工排渣的。由于卸渣机构的改进，20世纪30年代出现了连续操作的离心机，间歇操作离心机也因实现了自动控制而得到发展。

近年来，国外离心技术得到进一步的发展，主要在以下方面有很大的成就： 改进动平衡技术：一种补偿离心机不平衡度的装置，系转子在弹性支撑的情况下，液体在中空环状容器中的散开，以补偿转子的不平衡

(2)降低能耗的装置：美国BECKMAN公司在1984年介绍了一种固定在套筒上的可部分密封下端的装置，该装置不但可使转子运行平稳。且可降低风阻，亦节约了能耗。

(3)CIP技术的应用。

CIP清洗即CLEAN IN PLACE(原位清洗)。 CIP清洗即不分解生产设备，又可用简单操作方法安全自动的清洗系统，几乎被引进到所有的食品、饮料及制药等工厂。CIP清洗不仅能清洗机器，而且还能控制微生物。CIP清洗技术已经很广泛的应用在先进的食品行业，比如酵母行业的龙头企业安琪酵母，就是采用的全套CIP清洗程序进行管道和罐子的清洗的。

(4)离心机转鼓的改进：例如高速碟式机，以前转鼓底与盖的连接通常为螺纹或剪切环。然而两法设计复杂，径向间容易松动，从而导致动平衡的问题。这方面的矛盾国内尤为突出，而瑞典ALFA—LAVAL公司之专利述及一种锁接头的连接方法改进了上述的缺点。法国专利则推荐一种新转子，其中心用硬质陶瓷材料，而外层用单丝缠挠的方法，从而增加了转鼓强度。

上述几方面的进展，基本上论述了国外这方面的动态，然而离心分离技术不可能像电子技术那样飞跃，即使当代最先进的离心机也不可能是完善无缺的，而是向上述几个方面不断努力，争取推出更新一代的离心机，这也是未来离心机的发展趋向。

下面以Alfa Laval公司的卧螺离心机作详细说明。

7.2Alfa Laval卧螺离心机的设计图

1.小端螺旋轴承 2.大端螺旋轴承 3.小端排油孔 4.大端排油孔

7.3 Alfa Laval卧螺离心机的设计原理

物料从空心的螺旋输送器中央的进料管直通到机器转鼓圆锥体和圆柱体的交汇部分。物料在进入转鼓后，其中的液体分布在转鼓中形成内层水环，并平稳地加速到全转速。固相在离心力的作用下被沉降在转鼓内壁。螺旋输送器连续地将固体从转鼓的圆柱体部分通过圆锥体部分输送到圆锥体端部。

固液分离发生在转鼓的整个圆柱部分，在转鼓的大端有可更换/可调节的堰板，澄清的液相通过堰板在转鼓的大端溢出。固体通过离心力从转鼓小端的出口排出。

7.4 Alfa Laval卧螺离心机3D模型

结论

本次设计主要考虑的是碟式分离机的结构设计，对碟式分离机各个部件的作用进行彻底的了解，从而加强对机械结构设计的认识。机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，确定并绘出具体的结构图，以体现所要求的功能。是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件，具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。所以，结构设计的直接产物虽是技术图纸，但结构设计工作不是简单的机械制图，图纸只是表达设计方案的语言，综合技术的具体化是结构设计的基本内容。

对于机械结构设计，我们必须首先搞清楚所设计的机械工作原理是什么。在机械结构设计中，我们涉及到的大多是机械运动方面的一些理论知识，这就需要我们在平时学习中积累了足够的理论知识，以便于充分认识到所设计的机械是怎么工作的。机械结构设计不同于夹具设计，在夹具设计中，我们主要考虑的是零件的定位和夹紧，在机械结构设计中，我们主要考虑的是整个机械的工作原理和各个部件的装配关系。（1）它是集思考、绘图、计算（有时进行必要的实验）于一体的设计过程，是机械设计中涉及的问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段，在整个机械设计过程中，平均约80%的时间用于结构设计，对机械设计的成败起着举足轻重的作用。（2）机械结构设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的。（3）机械结构设计阶段是一个很活跃的设计环节，常常需反复交叉的进行。为此，在进行机械结构设计时，必须了解从机器的整体出发对机械结构的基本要求。

本次设计为DRN200型碟式分离机的结构设计，我从最初的什么都不知道，到最后能够基本认识到碟式分离机的工作原理和各个部件的作用。不管是在外形尺寸上对碟式分离机有了清楚的认识，更是对它的理论知识有了很充分的认识。尽管最后的结果并不是很完美，但是我学到了机械结构设计的基本方法以及认识到在设计中一些注意事项，为以后的工作做了很好的铺垫作用。这次设计由于时间因素、个人经验不足和缺乏实物参考，在一些细节的地方考虑不足，这是不能和专业人士设计的离心机相比的，使得分离机在结构实用性、可靠性、经济性还有待进一步改善，但作为一个初学者，在设计过程中，学到了很多，丰富了自己的理论知识。

参考文献

[1]孙启才，金鼎五.离心机原理结构与设计计算[M] .北京：机械工业出版社，1987.3

[2] 幸舟，兰小飞，赵航涛.基于乳脂分离碟式离心机碟片间隙的设计计算[J].科学技术与工程，2008.9

[3]叶爱娟.碟式分离机碟片加工问题探讨[J].过滤与分离，2011

[4]吴宗泽，罗圣国.机械课程设计设计手册（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2006.5

[5]邱宣怀.机械设计（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2011.7

[6]杨志儒.碟式分离机的研究与优化设计[D].兰州理工大学，2008.4.25：9—11

[7]百度百科

[8]校网数字图书馆